LIVINGSTON, La. - Otprilike kilometar i pol od zgrade toliko velike da je možete vidjeti iz svemira, svaki automobil na cesti usporava i puzi. Vozači znaju shvatiti ograničenje brzine od 10 km / h vrlo ozbiljno: To je zato što u zgradi se nalazi masivni detektor koji lovi nebeske vibracije na najmanjoj skali ikada. Nije iznenađujuće da je osjetljiv na sve zemaljske vibracije oko njega, od tutnjave automobila u prolazu do prirodnih katastrofa s druge strane svijeta.
Kao rezultat toga, znanstvenici koji rade na jednom od detektora LIGO (Laser Interferometer Gravitacijski-valni opservatorij) moraju ići na izvanredne duljine da bi pronašli i uklonili sve potencijalne izvore buke - usporavanje prometa oko detektora, nadgledanje svake sitne drhtavice u detektoru zemlja, čak suspendirajući opremu iz četverostrukog klatna koji smanjuje vibracije - a sve u nastojanju da se stvori najviše "tiho" vibracijsko mjesto na Zemlji.
"Sve se odnosi na lov na buku", rekla je Janeen Romie, voditeljica detektorskih inženjerskih grupa na LIGO detektoru u Louisiani.
Zašto su LIGO fizičari toliko opsjednuti uklanjanjem buke i stvaranjem mjesta na kojem nema vibracija na planeti? Da biste to shvatili, morate znati što su gravitacijski valovi i kako ih LIGO prepoznaje u prvom redu. Prema općoj relativnosti, prostor i vrijeme dio su istog kontinuuma, koji je Einstein nazvao prostor-vrijeme. I u prostornom vremenu, masivni objekti koji se ubrzavaju mogu proizvesti gravitacijske valove, koji izgledaju poput valobrana koji zrače prema van kada šljunak padne na površinu ribnjaka. Ti valovi otkrivaju istezanje i kontrakciju tkanine samog kozmosa.
Kako mjerite promjene u samom prostoru-vremenu, kada bi bilo koji mjerni uređaj doživio te iste promjene? Genijalno rješenje je ono što je poznato kao interferometar. Oslanja se na činjenicu da se gravitacijski valovi protežu prostor-vrijeme duž jednog smjera, a istodobno ga usmjeravaju okomito. Pomislite na plutaču na vodi: Kad val prođe, diže se gore-dolje. U slučaju gravitacijskog vala koji zrači Zemljom, sve oscilira tako lagano naprijed-natrag, umjesto gore-dolje.
LIGO detektor sastoji se od laserskog izvora svjetlosti, razdjelnika snopa, nekoliko ogledala i detektora svjetlosti. Svjetlost napušta laser, rastavlja se na dvije okomite zrake rasipanjem snopa, a zatim prelazi jednake udaljenosti niz ruke interferometra do dva zrcala, gdje se svjetlost odbija natrag prema rukama. Obje zrake tada udaraju u detektor, koji je postavljen nasuprot jednom od ogledala. Kad gravitacijski val prođe kroz interferometar, jedan krak čini malo duljim, a drugi malo kraćim, jer proteže prostor duž jednog smjera dok ga komprimira duž drugog. Ovo beskonačno male promjene registriraju u obrascu da svjetlost udara svjetlost detektor. Razina osjetljivosti LIGO-a jednaka je "izmjeri udaljenosti do najbliže zvijezde (nekih 4,2 svjetlosne godine) s točnošću manjom od širine ljudske dlake", navodi se na web stranici LIGO o suradnji.
Kako bi uspjeli otkriti val širine kose, znanstvenici idu do krajnjih duljina kako bi uklonili sve moguće poremećaje ovog fino podešenog postava, rekao je Carl Blair, postdoktorski istraživač u LIGO-u koji proučava opto-mehaniku ili interakciju svjetlosti s mehaničkim sustavima.
Za početak, ruke dužine 2,5 kilometara (4 kilometra) nalaze se u jednom od najsavršenijih vakuuma na svijetu, što znači da je gotovo bez molekula, tako da ništa ne može ometati put zrake. Detektori su također okruženi svim vrstama uređaja (seizmometri, magnetometri, mikrofoni i detektori gama zraka, ako ih nabrojimo) koji mjere poremećaje u podacima i uklanjaju ih.
Sve što bi moglo ometati ili pogrešno protumačiti kao signal gravitacijskog vala također se mora loviti i eliminirati, rekao je Blair. To uključuje nesavršenosti unutar samog detektora - ono što je poznato kao buka - ili neastrofizičke poremećaje koje pokupi instrument - što su poznate i kao propuste. Fizičari moraju čak uzeti u obzir vibracije atoma koje čine detektor ogledalo i slučajne fluktuacije struje u elektronici. U većoj mjeri, propuste mogu biti bilo što, od prolaznog teretnog vlaka do žeđnog gavrana.
A propuste može biti jako teško zabiti nokte. Kad se Arnaud Pele pridružio timu za detektore u LIGO-u, dobio je zadatak da shvati odakle dolazi posebno neugodan poremećaj: instrumenti koji su mjerili kretanje zemlje oko detektora gravitacijskog vala registrirali su konstantan šiljak, a nitko znao zašto. Nakon višemjesečnog pljačkaša, pronašao je krivca: neupadljiva stijena zaglavljena između tla i nekih mehaničkih opruga pod ventilacijskim sustavom. Zbog stijene, opruge nisu mogle spriječiti da se vibracije ventilatora pojave u detektoru, uzrokujući misteriozni signal. "To je zaista zabavan dio mog posla, raditi ove detektivske stvari", rekao je Pele. "Većinom su to jednostavna rješenja." U potrazi za beskonačno malim vibracijama iz dalekih krajeva svemira, pravi posao može biti vrlo dolje na Zemlji.
Možda su najvažnije tri detektora: osim jednog u Louisiani, jedan je u Hanfordu u Washingtonu i treći u Italiji: "Ako je nešto stvarno, mora izgledati isto u svim detektorima", rekao je član suradnje LIGO Salvatore Vitale, docent fizike na MIT-u. Ako se radi o teretnom vlaku ili stijeni smještenom pod oprugom, pojavit će se samo u jednom od tri detektora.
Uz sve ove alate i neke vrlo sofisticirane algoritme, znanstvenici su u mogućnosti kvantificirati vjerojatnost da je signal doista gravitacijski val. Oni čak mogu izračunati lažnu stopu alarma za dano otkrivanje ili mogućnost da se točan signal pojavio slučajno. Na primjer, jedan od događaja ovog ljeta imao je lažnu stopu alarma manju od jednom u 200.000 godina, što ju je učinilo izuzetno uvjerljivim kandidatom. Ali morat ćemo pričekati dok ne dođe do pravomoćne presude.
Izvješćivanje za ovaj članak djelomično je potpomognuto grantom Nacionalne zaklade za znanost.
